Onderzoekers melden dat kleine hoeveelheden bruikbare moleculen zoals koolwaterstoffen worden geproduceerd wanneer kooldioxide en water reageren in de aanwezigheid van licht en een zilveren nanodeeltjeskatalysator. Hun validatiestudie - mogelijk gemaakt door het gebruik van een analytische techniek met hoge resolutie - zou de weg kunnen effenen voor CO ₂ -reductietechnologieën die de productie op industriële schaal van hernieuwbare koolstofgebaseerde brandstoffen mogelijk maken.

De studie, onder leiding van de University of Illinois Urbana-Champaign chemieprofessor Prashant Jain, onderzoekt de chemische activiteit aan het oppervlak van zilveren nanodeeltjeskatalysatoren onder zichtbaar licht en gebruikt koolstofisotopen om de oorsprong en productie van deze voorheen onopgemerkte chemische reacties te volgen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Communicatie.

Zonlichtgestuurde conversie van CO ₂ en water in energierijke multi-koolstofverbindingen is een levensvatbare technologie voor de opwekking van hernieuwbare energie en chemische productie. Daarom, onderzoekers zijn op jacht geweest naar synthetische katalysatoren die grootschalige CO . mogelijk maken ₂ reductie tot multikoolstofmoleculen, de onderzoeksrapporten.

"Katalytische chemische reacties op industrieel niveau worden meestal getest en geoptimaliseerd op basis van het bulkprofiel van de eindproducten, "Jain zei. "Maar er zijn chemische soorten gevormd in de tussenstadia van dergelijke reacties, op het oppervlak van de katalysatoren, die misschien te schaars zijn om te detecteren en te meten met conventionele methoden, maar zijn fundamentele betekenaars van hoe een katalysator functioneert."

In het labortorium, Het team van Jain gebruikte een speciaal uitgeruste Raman-spectroscoop om afzonderlijke moleculen te detecteren en te identificeren die aan het oppervlak van individuele zilveren nanodeeltjes zijn gevormd. Door een enkel nanodeeltje te isoleren waarop de chemische reacties verlopen, de onderzoekers kunnen een zeer gerichte laser gebruiken om moleculen die zich op het katalysatoroppervlak vormen te exciteren om een ​​spectraal signaal te creëren dat de moleculen identificeert die in discrete, elementaire stappen van het totale chemische proces.

"Ik denk graag aan dit werk in termen van een verhaal, "Jain zei. "Er is een algemeen thema in een verhaal, dat is de reductie van CO ₂ . De hoofdpersonen zijn CO ₂ , H ₂ O, zilveren nanodeeltjes, koolmonoxide en waterstofionen, bijvoorbeeld. Maar er zijn ook wat minder belangrijke maar zeer interessante karakters zoals butanol, acetaat en oxaalzuur die het achtergrondverhaal van de hoofdpersonen helpen vertellen. En soms, de kleine personages zijn veel interessanter dan de grote."

Soms kunnen kleine personages komen met onbedoelde spelers, zei Jaïn. Om ervoor te zorgen dat de intermediaire koolstofgebaseerde moleculen die de onderzoekers ontdekten, het resultaat zijn van de CO ₂ reductieproces en niet verontreiniging, ze gebruikten CO ₂ met alleen de koolstof-13 isotoop, die slechts 1,1% van de koolstof op aarde uitmaakt.

"Door koolstof-13 te gebruiken om de reactieroutes te traceren, konden we bevestigen dat alle gemeten koolwaterstoffen aanwezig waren als gevolg van de CO ₂ die we opzettelijk in het reactievat hebben toegevoegd, en niet per ongeluk geïntroduceerd via besmetting van de zilveren nanodeeltjes of later tijdens het analyseproces, "Jain zei. "Carbon-13 is zeldzaam, dus als we het zouden detecteren in onze reactieproducten, we zouden weten dat het het resultaat was van de door licht aangedreven conversie van CO ₂ en vorming van CC-bindingen."

De schaal van vorming van multikoolstofmoleculen door gebruik te maken van katalysatoren voor nanodeeltjes van zilver blijft in dit stadium van het onderzoek erg klein. zei Jaïn. Echter, onderzoekers kunnen zich concentreren op het ontwikkelen van verbeterde synthetische katalysatoren en opschaling voor industriële productie, nu de belofte van lichtoogstende nanodeeltjes is onthuld.